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占星術是真是假?——《科學月刊》

科學月刊_96
・2016/02/04 ・3895字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 490 ・五年級

吳昌任/臺北市立南湖高中地球科學教師。
林詩怡/臺北市立中崙高中地球科學教師。
兩人合著有《追星族的天空奇緣》(第49 梯次好書大家讀推介)、《星空球》(2013 年好書大家讀知識性讀物組)

人生總會有不那麼順遂的時候,明明已經盡力了,事情還是不如所願,唯有當事者得到一個合理的解釋,心情才得以釋懷,最常見的就是把這些無法解釋的遭遇歸咎於運勢。

占星術到底是真是假?從它的定義可以略知一二。鮮少有不合邏輯的騙術能存在許久,所以如果想要知道如何利用天文現象創造出占星術,就必須先把天文學研究清楚。早期研究天文是為了種族的延續,例如從日、月的運行訂出曆法,讓人民可以在規律的季節變化中,知道何時該做哪些事,使得糧食無缺同時避免災害。掌握天體運行的韻律之後,曆法主要架構就完成了,接下來只剩下微調,讓曆法可以長時間與日月運行吻合,這時候就有多餘的時間可以想想天上世界與地上人間的關係。

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曆法結束,該來解釋星空了。 Source: Planting, harvesting and surgical operations, etc., according to the signs of the zodiac ( A.F. Seward,1920)

現在大家所說的占星術是沿自於巴比倫時代,也就是說,如果你想要瞭解占星術是真是假,就要先知道巴比倫人是如何定義各種影響運勢的星座。現在我們就先從最簡單的開始解說起。

每個人都可以從出生日期對照出自己的星座,這就是跟運勢有關的星座,稱為太陽星座。經過長時間的觀察,巴比倫人發現一年之中太陽會在恆星之間移動一整圈,這個軌跡稱為「黃道」,而這些經過的星座就稱為「黃道星座」。巴比倫人認為,當太陽位於哪個星座裡就主宰了人的個性。不同星座的人的個性為何,則是來自於人類對於這個星座的想像與解釋。以天蠍座為例,天上一部分的星星連起來像是蠍子的形體,所以稱為天蠍座。蠍子不會隨時用毒針攻擊,但是當要保護自己時,就會用毒針刺對方。所以天蠍座的人一下子表現出愛,一下子又讓人很受傷,簡單的說就是又愛又恨。

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找找看天蠍座在哪!答案在文末。(作者提供)

如果世界上真的只有依照太陽星座去區分的12 種人,民眾不會想要相信占星術,因為你很容易就可以找到和你是同樣的太陽星座,但是個性與成就卻不同的例子。天上的星體不是只有太陽會相對於星星移動,所以太陽星座的定義可以用在從地球上看起來會相對於星星移動的其他天體上,例如:月球與行星,這讓占星術有更高的說服力。

一個月當中,月球與太陽的相對位置會改變,造成不同的月相,所以同一個太陽星座的人,其月亮星座可能會不一樣。太陽星座與月亮星座都相同的人,其金星星座、水星星座、火星星座、木星星座與土星星座的其中一些可能不一樣,如此一來,就可以把人分成12 的7 次方,也就是3 千5 百多萬種!這麼多的組合可能,對於當時的人口來說已經綽綽有餘,所以巴比倫人相信占星術能解釋每個人的差異,也不足為奇。

你可以想出挑戰占星術的其他例子嗎?說說雙胞胎吧!早期沒有超音波科技,四十幾年前的孕婦懷了雙胞胎也不知道,直到生產當天發現生了一個小孩之後肚子沒消下去,才知道還有一個小孩在肚子裡,所以當時的雙胞胎出生時間可以相差一個小時左右!

雙胞胎的太陽、月亮以及行星星座都相同,但是個性卻不一定相同。為了要解釋這個現象,占星術又增加了一小時以內就會出現變化的上升星座與下降星座。顧名思義,出生瞬間會有一個黃道星座一部分在東方地平線上,一部分在東方地平線下,這個黃道星座就稱為上升星座,同時在西方地平線附近的則是下降星座。因為地球自轉的關係,星星大約是以一小時15 度的速度持續繞著天球北極旋轉,所以如果你想要以雙胞胎的例子來挑戰占星術,就會因為出生的時間差,使得上升星座與下降星座在地平線上的比例不同,占星術就這樣把人又多分了144 倍的種類,數量約51 億,同時也解釋了雙胞胎個性不同的問題。

當心靈很脆弱的時候,即使是很平常的描述,你都會覺得說得很準,此時越是要小心有心人士利用這個時候讓你對他掏心掏肺的。我們再來討論一些從巴比倫時代到現在的天文事實,看看這些是如何影響占星術的。

你的生日當天,太陽真的還是在巴比倫人觀察到的那個位置嗎?

根據定義,出生當天從地球上看起來,太陽應該是在你認為的太陽星座的方向上。但是地球自轉軸的方向並不是固定的,比較像穩定旋轉之後的陀螺一樣,旋轉軸會慢慢的繞著一個看不到的中心旋轉,這樣旋轉一圈要大約兩萬六千年。垂直於地球自轉軸的赤道向外延伸到星空中,就稱為天球赤道,而天球赤道與黃道的其中一個交點被訂為一年的開始,在經過長時間的曆法變革之後,太陽運行到這個交點就是該年的3 月21 日,這個點稱為春分點。

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當地球自轉軸改變指向的時候,天球赤道會跟著改變方向,使得春分點的位置移動,中國把這個現象稱為歲差,也就是說,一樣是3 月21 日,巴比倫時代看到太陽在天上的位置與現在觀察到的位置已經不同了。如果你在生日當天觀察太陽在天上的位置,可能已經不在你認為的太陽星座方向了。此時根據定義來看太陽星座的出生日期範圍,結果會與你之前認為的很不一樣,相差了三個星期左右。舉例來說:1 月28 日出生的人,根據以前的定義是水瓶座,但是現在1 月28 日太陽是在魔羯座的範圍裡。

為什麼以前只有12 個黃道星座,現在卻有13 個?

這是最近幾年又將占星術炒熱的話題之一,也讓占星術又重回大家聊天的話題中。會出現第13 個星座,代表一年當中的某段時間裡,黃道會經過第13 個星座:蛇夫座的範圍。究竟是黃道的位置改變了?還是巴比倫人沒有發現這一件事?

四千多年來,黃道的位置變了嗎?

如果地球繞太陽的軌道面改變了,那麼黃道的位置就會變。根據長久以來的觀測紀錄看來,地球繞太陽的軌道面並沒有什麼變化,也就是說,黃道並沒有在這四千多年內改變位置,所以黃道第13 星座並不是因為這樣才出現。

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擷取自TheSky Ver.5

巴比倫人沒有發現黃道經過蛇夫座嗎?

左下的圖為人馬座、天蠍座與蛇夫座附近的星空,為了標示清楚,加上了星座連線,你很清楚的看出這三個星座以及黃道的位置,你覺得黃道有經過蛇夫座嗎?是不是就很明顯的看出來,在某一些日子裡黃道真的經過蛇夫座的一小部分,而這延伸出這個部分的星星不是很亮。

由影像就可以看出來,巴比倫人不是故意忽略掉蛇夫座,而是在沒有訂定出星座界線以前,這一段目前認為經過蛇夫座的黃道,會被認為是在天蠍座裡的。也就是說,會出現第13 個黃道星座,其實是訂出星座界線之後的結果,而星座界線是國際天文聯合會(IAU)為了將天上的星星清楚界定是隸屬於哪個星座,避免同一顆星有不同的名稱所制訂出來的。因為星座界線的出現,才會有黃道第13 星座的誕生。

占星學家發現了這個事實以後,就必須創造出蛇夫座的個性。記得嗎?方法就是依照星座的形象加以擴張。蛇夫座的人喜歡控制別人,因為蛇夫座就是一個抓住巨蛇的人,這樣你就更能了解星座個性是怎麼來的了吧!

每個星座的生日日期範圍都是一個月左右嗎?

有了星座界線,我們就可以更準確的依照定義把哪幾天出生的人屬於哪個星座重新判斷一次。如果你有可以標示出日期與太陽位置的星空球,就可以發現太陽在每個黃道星座範圍裡的日子並不一樣長,在室女座的範圍內可以長達四十幾天,而在天蠍座裡卻不到十天。

巴比倫人知道天王星、海王星、冥王星嗎?

八大行星裡的金木水火土,是人類用眼睛就可以看到的5 顆行星,所以古文明皆有這5 顆行星的紀錄,其他的三顆行星因為距離地球較遠,都是透過望遠鏡才發現的。巴比倫人不知道天王星、海王星、冥王星的存在,怎麼可能會把這3 顆行星的影響放入星座運勢裡呢?可想而知,現在你看到運勢裡面提到天王星、海王星、冥王星的部分,都是這幾百年來的占星學家加進去的。

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冥王星後來被改列為矮行星,它對於星座運勢的影響還有這麼大嗎?

冥王星被發現後沒多久,天文學家就知道它的質量、體積很小,但當時的占星學家為了趕上最新的科學進展,紛紛把冥王星的影響加入星座運勢中。結果2009 年冥王星被國際天文聯合會改列為矮行星,這些曾經說冥王星影響了運勢的人現在是不是該改回來?如果冥王星還是擁有這麼大的影響力,那麼和它一樣都屬於矮行星的穀神星(Ceres)、女戰神(Xena)等,是不是也該納入影響運勢的因素之中?

知道今日的占星術有這麼多矛盾之處之後,大家應該回到占星術當時發展出來的時空背景,正確的瞭解它的用意。但是,我們也不需要把占星術當作是萬惡,只要不迷信就好了。反之,我們可以用占星術來提醒自己往更好的方向前進。如果你覺得星座運勢當中好的部分和你對自己的期待還滿像的,何不把這些描述記在心理,讓自己朝著這個方面前進。至於那些不好的描述,就不要太在意了!

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解答

2016-01-cover〈本文選自《科學月刊》2016年1月號〉

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極目遠眺的意義:天文學家為何追尋第一代星系

Tiger Hsiao_96
・2022/05/15 ・3764字 ・閱讀時間約 7 分鐘
  • 文/蕭予揚 清大天文所碩士生,將於約翰・霍普金斯大學攻讀天文博士
      林彥興 清大天文所碩士生,EASY 天文地科團隊總編

近日,來自東京大學和倫敦大學學院的科學家 播金優一(Yuichi Harikane) 在天文物理期刊《The Astrophysical Journal》發表了一篇論文,宣稱他們可能找到目前最遠的星系(名為 HD-1,紅移值 z 約為13),打破了原本最遠(GNz-11,z 約為 11)的紀錄。

天文學家為什麼執著要找最遠的星系呢?
是單純為了破紀錄而破、抑或是蘊藏了什麼科學涵義?
天文學家們又是怎麼尋找、並且推論這些星系多遠的呢?

HD1 的影像。圖/Harikane et al.

時間推回到二十世紀初,當時的科學家們對宇宙大小到底是恆定或是膨脹爭論不休,其中,愛因斯坦(Albert Einstein)便是支持「宇宙穩恆態理論」的知名科學家。而支持膨脹宇宙的科學家們,一直到西元 1929 年,愛德溫.哈伯(Edwin Hubble)透過測量其他星系,發現了宇宙在膨脹,才為膨脹宇宙(也就是日後人們所說的「大爆炸理論 The Big Bang Theory」)注入了一劑強心針。

接下來的各種證據,如宇宙微波背景輻射、宇宙中元素的比例等,讓天文學家們越來越確信宇宙的年齡是有限的,並開始利用紙筆與超級電腦,來推測最早、也就是第一代星系及恆星的樣貌,並嘗試用望遠鏡,來尋找早期星系是否和我們預測的相符。

科學家是如何知道距離的呢?

天文學家並沒有一把長達「一百多萬光年」的尺,那他們是如何尋找,並且知道這些早期星系距離我們有多遠呢?讓我們把兩個問題分開,先來探討在宇宙學尺度下的距離是怎麼得到的。

由於我們知道宇宙在膨脹,而這些遠離我們的星系所發出的光,也會因為類似都卜勒效應的影響,有著紅移的現象。而越遠的星系遠離我們的速度越快,它們紅移值也就越大;而從實驗室中,我們知道每種元素都會發出特定的譜線,藉由測量到星系光譜中特定譜線的實際位置,並與那條譜線所該在的位置比較,就能夠計算這些星系的紅移值了。

而結合紅移值和其他測量到的宇宙學參數(例如哈伯常數),就可以從星系的紅移值計算出物理上的距離,比如大家常會看到的「光年」。

星系的紅移(Redshift)與它跟地球的距離(Distance)可以互相換算。圖/林彥興

那既然這樣,我們只要測量所有星系的光譜,不就能知道最遠的星系是哪一個了嗎?可惜事情並沒有這麼簡單。

一來,很多星系(尤其是越遠的星系)都很黯淡,難以測量光譜,二來,測量光譜實際上是又貴又耗時的。所以,以「尋找」的為目的,做單一波段的搜索通常是比較實際的作法。但若是使用單一波段,不就代表我們沒有光譜,這樣不就又不知道距離了?

Well yes, but actually no。大家應該都聽過盲人摸象的故事,透過觀測越多的波段,我們就越能描繪出實際上的光譜,再根據現有的理論模型,我們就可以利用光譜擬合來推論出這些星系的紅移值。

那要如何鎖定這些早期的星系?

天文學家總不可能對每個能測量到的星系都做很多波段的觀測,並且大費周章的利用理論模型去擬合他們。很多特定的望遠鏡(例如 ALMA、JWST)是要寫觀測計畫書和其他天文學家競爭觀測時間的,總要給出一個有力的理由,才能讓你的觀測計劃脫穎而出。

但還沒有資料之前,天文學家要怎麼知道哪個星系是最遠的?這便產生了一個「沒有工作要怎麼有工作經驗」的迴圈。怎麼辦呢?天文學家就是要想辦法,在已經觀測的深空資料庫中去尋找最遠的星系。

哈伯太空望遠鏡拍攝的「哈伯極深空 Hubble Extreme Deep Field」影像。藉由比較圖片中不同紅移的星系的性質,天文學家就能重建出過去百億年來星系的形成與演化歷史。圖/NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden University; and the HUDF09 Team

而要怎麼在龐大的資料庫中尋找遙遠的星系呢?讓我們再次簡單回顧歷史。量子物理在十九世紀末至二十世紀初逐漸開始發展時,瑞士物理學家約翰.巴耳末(Johann Balmer)研究激發態的氫原子所放出的光譜,發現在可見光波段,氫原子只會發射一系列特定波長的譜線。隨後美國物理學家西奧多.萊曼(Theodore Lyman)也接著發現,氫原子從受激態回到基態時,會放出一系列位於紫外線波段的譜線,這些特定的譜線也被稱為萊曼系。

氫原子的各個譜線家族,由上而下分別是位於紫外線的萊曼系,位於可見光的巴耳末系,以及位於紅外線的帕森系。圖/Szdori, OrangeDog

而用來尋找早期星系的第一種方法,也是最主要的搜索方法,就與萊曼系關係密切。天文學家發現,宇宙中有一種名為「萊曼斷裂星系(Lyman-break galaxies; LBGs)」的星系,這種星系的光譜有一個很明顯的特徵,便是在特定的波長以下就幾乎觀測不到,原因是波長更短的光(更高的能量)都被星際物質(Interstellar medium; ISM)和星系際物質(Intergalactic medium; IGM)的中性氫的萊曼線系給吸收了。

而萊曼線系中波長最短的譜線(常稱為萊曼極限)約在 91.2 奈米,最長的萊曼 α 譜線則約在 121.6 奈米。只要透過兩個波長足夠接近的波段去尋找「在長波長有觀測到、但在短波段沒觀測到的天體」(稱為 drop-out),就可以粗略的估計星系的紅移。

舉例來說,如果我們要找紅移值為 9 的萊曼斷裂星系,只需要稍微長於和短於 1216 奈米的兩個波段,看看有沒有星系出現在長波段的影像中,但在短波段的影像中卻沒有出現,就有可能是在紅移值為 9 的萊曼斷裂星系。如果要找越遠的萊曼斷裂星系,只需要換波長較長的波段即可。

近日打破紀錄的最遠星系,也是透過 H-band drop-out(在波長 H 波段沒有觀測到,而較長的波段有)所找出的。

光譜drop-out的例子。圖/Harikane et al (2022)

上圖為近日打破紀錄的最遠星系 HD1 的 H-band drop-out,可以看到長波段:4.5、3.6 微米以及 Ks 波段都有偵測到,但在 H 波段(以及更短波長)的影像就消失不見了。藍色的光譜 z 值為 13.3 的萊曼斷裂模型,灰色的光譜則為可能的低紅移汙染,z=3.9 的巴耳末斷裂模型。

當然,這只能幫助科學家初步的篩選,而且此種方法會受到一些其他非早期星系的汙染。

舉例來說,上文提到氫原子除了萊曼系以外,還有回到第一激發態的巴耳末系。若只是單純地透過 drop-out,因為巴耳末系本身的譜線就比萊曼系來得紅,所以也有可能找到的是紅移值較小的巴耳末斷裂;此外,非常紅且充滿塵埃的星系也會在光譜上出現類似「驟降」的特徵。

當然,更多波段以及光譜的觀測,都有助於釐清這些可能的汙染。而除了上述的方法以外,萊曼 α 發射體(Lyman-alpha emitters; LAEs)、伽瑪射線暴的宿主星系、重力透鏡效應等,也是尋找遙遠星系的重要方法哦!

那麼,找出這些早期星系有什麼科學意義?

現代宇宙學理論認為,宇宙在早期曾經經歷過兩次相變。第一次是宇宙從炙熱的游離態降溫回到中性的氣態,被稱為宇宙的復合時期(Epoch of Recombination),也是大家熟悉的宇宙微波背景的起源;第二次(也是最後一次)的相變,宇宙中的中性氫變成了游離化的氫離子,這個相變的過程被稱為再電離時期(Epoch of Reionization; EoR)。

而目前認為,第二次這個電離的原因,是第一代恆星和第一代星系所發出的強紫外線光,把周圍的中性氫游離成氫離子。藉由尋找越來越多的早期星系,我們就能透過這些早期星系來描繪宇宙再電離時期的歷史,而這又能夠進一步驗證現代宇宙學理論是否正確。不僅如此,研究這些早期星系,可以讓我們對於星系演化的歷史更往前推,或是研究早期星系的超大質量黑洞,是如何長到這麼大等等的議題。

未來展望

在 2021 年底順利升空的詹姆斯.韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope; JWST),其中一個主要的科學目標就是研究早期宇宙。如這篇文章一開始提到的「新的最遠的星系(HD-1)」,又如前一陣子發現的「最遠恆星 Earendel」,以及同一團隊的另一個紅移約 11 的星系,都在第一輪 JWST 的觀測計畫之中。

期待幾個月後 JWST 公布的第一批科學照片,能大幅革新我們對早期宇宙的認識。

參考資料(論文們)

延伸閱讀(科普文章)


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Tiger Hsiao_96
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現為清大天文所碩二學生,即將赴美於約翰霍普金斯大學攻讀天文博士。